Оглавление
Перспективы и существующие технологии создания полупроводниковых устройств.
IBM: Нанотрубки.
Фотонная технология.
Intel.
Закон Мура.
Процессоры: от Pentium 100 до наших дней.
1978: начало эры x86.
1989: ПК на массовом рынке - Socket 1, 2 и 3.
1993: Socket 4 для первого Pentium.
С 1996 по 1998: Socket 5 - AMD и Intel.
С 1998 по 2000: Socket 7 – AMD, С 1994 по 1997: Socket 7 –Intel.
Slot 1: с мая 1997 по март 2000.
Socket 370: с апреля 1998 по июль 2001.
Socket 423: с ноября 2000 по август 2001.
Socket 478: с июля 2001 по март 2004.
Socket 775: с июня 2004 и до сих пор.
Slot A: с августа 1999 по май 2000.
Socket A: с июня 2000 по сей день.
Socket 940: с сентября 2003 по март 2004.
Socket 754: с сентября 2003 по июнь 2004.
Socket 939: с июня 2004 по сей день.
История процессоров.
Тестирование Pentium 4.
Результаты тестов.
Вывод.
Системы охлаждения.
Радиаторы.
Вентиляторы.
Горячо! Как современные процессоры защищены от перегрева?
Некоторые причины нарушения теплоотвода.
Проект 5 ГГц: охлаждение процессора с помощью жидкого азота.
Рекордная попытка: проект 5 ГГц.
Экстремальное тепловыделение: 1600 кВт на квадратный метр!
Двухпроцессорные системы – SMP, на домашнем компьютере.
SMP в деле.
Заключение.
Список использованных источников.
1. Перспективы и существующие технологии создания полупроводниковых устройств.
С каждым днем полупроводниковая индустрия все ближе и ближе подбирается к пределу кремниевой технологии. Выход из сложившейся ситуации необходимо искать в освоении новых технологий производства чипов, что логично, использовании более совершенных методов организации производства и... поиске абсолютно новых материалов с более глубокой философией назначения их структурных единиц.
Постоянное стремление уменьшить размеры кристалла, без чего просто невозможно увеличение производительности и скорости срабатывания транзисторов в микропроцессоре, приводит к тому, что в скором времени классическая физика, объясняющая процессы в полупроводниках отойдет на второй план, а ей на смену придет квантовая теория. Это заставит еще глубже вникнуть в суть процессов происходящих в микросхемах, заставит многое переосмыслить,и, конечно, изменить подход к микросхемотехнике. Уменьшение размеров транзистора заставит столкнуться с рядом физических явлений, которые будут препятствовать дальнейшей миниатюризации чипа. В частности, может оказаться чрезвычайно сложным соединение друг с другом мельчайших элементов. И это проблема уже однажды повставала перед индустрией, к счастью она успешно решена использованием медной технологии. Нахождение разных зон проводимости на расстоянии около 100 ангстрем порождает квантовые эффекты, которые, нарушают нормальную работу транзисторов.
Электромагнитное поле от любого компонента компьютера, например, трансформатора блока питания, может оказаться более чем достаточным для создания лавинного эффекта, при котором будет вызван ток, способный разрушить микросхему или нарушить нормальное направление движения электронов. Сейчас влияние магнитных полей на процессоры пока не так ощутимо, однако, при еще большей миниатюризации чипов, может стать серьезным препятствием дальнейшему развитию. Внутренние поля процессоров также довольно серьезная проблема...
Уже сейчас разработаны полевые транзисторы с возможностью перемещения поля в место, где оно не оказывает пагубного влияния на общее функционирование схемы, однако просчет и разработка таких схем неимоверно сложна. Еще одним минусом такого хода является снижение надежности и гарантированного времени использования чипа.
Начинается все с инженерной мысли. Сперва процессор разрабатывается, на бумаге. Продумывается будущая архитектура чипа, размер его кеша, структурные элементы и т.д. Затем работоспособность архитектуры проверяется созданием на специальном языке программирования программы-макета процессора, которая долго тестируется. В конце концов, если чип содержит много нововведений, то его "ваяют" в огромных размерах (так было с революционным ядром Pentium Pro) и опять долго тестируют. При создании макета руководствуются правилом комбинирования, по принципу отдельная группа транзисторов - определенный элемент схемы.
Далее изготавливаются кремниевые пластины, которые в свою очередь создаются особым способом из кварцевого песка, то есть, повторюсь, кремния - самого распространенного материала со свойствами полупроводника на земле. Таким образом, кремний химическими методами старательно очищается, и из него выплавляются цилиндрические слитки, которые в дальнейшем нарезаются на пластины толщиной менее миллиметра. Пластины шлифуются, много раз полируются с применением множества разных паст до зеркального блеска. Сейчас, стандартным размером кремниевых пластин является 200 мм., ведутся работы по переходу на 300 мм.
Для дальнейшего создания интегральной схемы, пластины должны быть покрыты слоем изолятора, и защищены механически (что немаловажно при дальнейшей обработке). Роль слоя изолятора выполняет SiO2 - двуокись кремния. Чтобы нанести ее на поверхность чипа, его помещают в специализированную печь, где и происходит медленное обрастание пластины прочными стенками.
Далее, подготовленная пластина покрывается светочувствительным полимерным слоем, который в дальнейшем поможет избавиться от слоя оксида кремния (IV), тем самым оголить в нужных местах чистый кремний. Полимерный слой при воздействии ультрафиолета должен прореагировать и впоследствии смываться органическими растворителями.
Нанесение рельефа на фоточувствительную пластину происходит аналогично проецированию негативного изображения на фотобумагу. Необходимо учесть, что роль негативной пленки в этом случае выполняет пластина кварцевого стекла, покрытая плёнкой хрома. Хром не пропускает свет, что дает возможность засветить светочувствительный слой там, где это нужно.
Что касается негатива, то он намного больше оригинального изображения, и его проекция на пластину осуществляется через систему уменьшающих линз и маску.
Засвеченный слой, изменив свой химический состав, может быть просто удален химически, либо рентгеновским излучением.
Таким образом, наступает шаг удаления SiO2, что с успехом и делается методом, аналогичным удалению фотомаски, но уже при помощи реактивных газов.
Далее структура чипа изменяется этим же методом, но уже с помощью другого негатива. Это происходит неоднократно, но, в конце концов, заготовка приобретает нужный вид. Конец этого этапа дает транзисторы, которые получаются следующим образом.
Любой транзистор должен состоять из зон с разными свойствами. Создание зон с проводниками p-типа и n-типа, производится вкраплением нужного количества того или иного вещества в кремниевую заготовку. Чаще всего для "наполнения" проводниками n-типа используют мышьяк или бор (кремний содержит носители p-типа). Заготовка разогревается до температур, при которых диффузия необходимых материалов становится особенно быстрой, и на полученные ранее отверстия в окисле кремния наносится строго определенное количество вещества-донора дырок.
Таким образом, кремний под слоем изолятора остается нетронутым, и это будущий затвор (З). А не предохраненные области, по обеим сторонам от затвора, "насытившись положительными элементами" (дырками) станут стоком (С) и истоком (И) получившегося в результате транзистора (последний рис.).
Конечная стадия производства процессоров. После получения окончательного образчика, уже описанными литографическими методами добавляются зоны проводимости и непроводимости. Здесь решающими веществами становятся поликристаллический кремний, а также различные оксиды и металлы. Полученные электрические соединения между транзисторами проверяются. Потом готовые чипы разрезаются и упаковываются во всем известные формы.
В конечном счете, получаются классические транзисторы, чередующие зоны с преобладанием уже упомянутых дырок и электронов. В Pentium III для контакта используется еще алюминий, а вот новый Pentium 4 уже использует позаимствованную Intel у голубого гиганта IBM медную технологию.
Многим известно, что медь обладает лучшим по сравнению с алюминием термо и электрическим сопротивлением. Именно поэтому логичней было бы использовать в микропроцессорной индустрии именно медь. Но дело в том что, Cuprum намного хуже контактирует с кремнием из-за общей диффузии веществ. Относительно высокое сопротивление алюминия стало неким стопором в развитии микропроцессорной индустрии, ведь скорость срабатывания транзисторов увеличивалась, а материал, соединяющий их между собой, сводил это достижение на нет.
Изучение меди как соединительного проводника в микросхемах, продолжалось не один десяток лет. Только к середине девяностых годов инженеры открыли принцип создания сверхтонкой разделяющей границы между кремниевой подложкой и медными проводниками.
Как и ожидалось, медная технология сдвинула индустрию с места, подняв среднюю скорость работы транзисторов до 10-30%. Использование более дорогой меди сказалось на общей стоимости производства чипов лишь в положительную сторону, так как, за счет увеличения плотности их размещения, площадь процессора уменьшилась, а значит, на одной пластине стали производить больше чипов за один технологический круг.
Суть кремниевого процесса, в основном, заключается в использовании светового излучения. С середины 80-х в фотолитографии используется ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Сейчас наиболее мощные коммерческие процессоры производятся с помощью ультрафиолетовых лучей с длиной волны 0,248 мк. Однако, применяя химические методы, вполне возможно создание структурных элементов вплоть до атомной шкалы! Это связано с тем, что размеры схематических элементов, засвечиваемых светом, особым образом пропорциональны энергии и длине облучающей волны. Уменьшенная длина волны может довести уровень энергии до такого уровня, что он абсолютно разрушит кремниевый кристалл.
Очень важна чистота в производстве процессоров. Допустим, что на негатив будущего чипа попадет даже плохо заметная для человеческого зрения пылинка.... Это повлечет неверное засвечивание маски, и на кристалле образуется профиль или анфас этой самой пылинки вместо микроструктуры чипа. Еще вариант - на стадии диффузного вкрапления в кремний, вместе с примесями попадает пусть даже атомных размеров мусор. Это может привести к дисбалансу электронов и дырок, что, в лучшем случае, уменьшит резерв процессора, а в худшем отправит чип на свалку. Чистота очень важный показатель при создании процессора.
Например, новая фабрика в Чандлере рядом с уже работающим заводом Fab 12 на территории промышленного центра Intel (площадью примерно 285 гектаров) под названием Окотилло. К строительству Fab 12 корпорация приступила в 1994 г., а уже к лету 1996 года предприятие выпустило первые компьютерные чипы. Производственные площади новой фабрики составят около 33,5 тыс. кв. м, из которых примерно 12,5 тыс. кв. метров приходятся на стерильные помещения. Рядом с основным зданием Fab 22 будут построены вспомогательные, включая четырехэтажное здание производственной поддержки площадью почти 30 тыс. кв. м, центральное помещение для вспомогательных служб площадью 11,5 тыс. кв. м, несколько пристроек к уже существующим зданиям, а также складское помещение.
До химических технологий формирования структуры чипа еще далеко, но наработки в области создания процессоров на заранее бракованных пластинах ведутся давно. Так, представленный в 1998 году суперкомпьютер, созданный при участии инженеров Hewlett-Packard, в своих микросхемах содержит 220 тысяч дефектов. Одного любого дефекта из числа так скрупулезно посчитанных браков хватило бы любому современному компьютеру для полной неработоспособности. Но Teramac функционирует и на определенных задачах показывает производительность, превосходящую в десятки раз возможности рабочих станций Hewlett-Packard. В основу создания чипов этого суперкомпьютера легли концепции, позволяющие потоку данных самостоятельно выбирать себе путь к нужному элементу, исключая возможности вхождения в "тупик" или отсутствия альтернативного пути, минуя бракованный или поврежденный элемент.
Исходя из этого можно заметить что, альтернатива многомиллионным процессорным заводам существует уже сегодня и к тому же удачно функционирует. Создавая схему, которая продумает все последствия брака, можно прийти к упразднению необходимости поддержания такого уровня чистоты. По сути, транзисторные процессоры это самый идеальный продукт человеческого труда. Они могут служить сотни лет, они производятся по самой миниатюрной, совершенной и чистой технологии, они, обрабатывают данные в таких объемах и пределах, которые не доступны не одному живому существу.
Другим способом повышения производительности микропроцессоров является уменьшение кристаллографических дефектов кремния. Это достижимо только химическими методами. Передовиком в этой области является Корнельский Университет. Не секрет, что поверхностный дефект даже атомного масштаба заметно снижает скорость срабатывания транзисторов, и всей микросхемы в целом.
Еще на заре кремниевого производства, в колыбели транзисторов – лабораториях Bell, вопрос улучшения чистоты материала уже поднимался. Как следствие, был разработан метод протравки пластин-заготовок в пероксидной ванне. Но это уровень 60-х годов, современные же ученые обещают устранение дефектов с кремниевых пластин, до чистоты поверхности порядка одного выступающего атома на 30 тысяч. Новый метод основан на химической гравировке.
Далее приведены технологии, перспективность которых безоговорочна, но возможность внедрения в промышленность еще не ясна. Речь пойдет о разработках в области замены электрона, как мельчайшего "кирпичика" информационных систем...